基于SOC技術(shù)的多功能導(dǎo)軌式三相電能表設(shè)計(jì)與應(yīng)用
孫麗莉
摘要： 針對(duì)導(dǎo)軌式三相電能表的實(shí)用性及開發(fā)難度較大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種利用SOC技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，分別從硬件與軟件角度介紹了DTSD1352的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。
關(guān)鍵字：SOC；導(dǎo)軌式；三相電能表
0.引言
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)公共建筑單位面積的年平均耗電量數(shù)值巨大，約占全國(guó)城鎮(zhèn)總耗電量的22%。在公共建筑節(jié)能方面，分項(xiàng)計(jì)量是現(xiàn)階段有效可行的方法。分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)中電表作為終端元件，在功能、性能、安裝方式上都有較嚴(yán)格的要求。目前我國(guó)供電部門用于收費(fèi)的電能表為壁掛式安裝方式，此安裝方式占用空間較大，不易安裝，更不適用于本來(lái)空間就狹小的改造項(xiàng)目。而且大型公共建筑分項(xiàng)電能計(jì)量屬于內(nèi)部計(jì)量管理，不宜使用收費(fèi)電表，而應(yīng)采用電力儀表。導(dǎo)軌式安裝在體積、結(jié)構(gòu)上都優(yōu)于傳統(tǒng)的壁掛式和嵌入式儀表，其特殊的安裝方式既可以安裝在終端照明箱中又可以安裝在大型開關(guān)柜、動(dòng)力柜中而不用重新開孔。
1.設(shè)計(jì)依據(jù)
電能表作為計(jì)量型儀表，與經(jīng)濟(jì)、民生息息相關(guān)。因此，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在眾多工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中是最為嚴(yán)格的。國(guó)內(nèi)電能表主要參考的標(biāo)準(zhǔn)為：
l GB/T17215.322-2008 《交流電測(cè)量設(shè)備特殊要求 第22部分：靜止式有功電能表（0.2S級(jí)和0.5S級(jí)）》
l GB/T17215.211-2006 《交流電測(cè)量設(shè)備 通用要求、試驗(yàn)和試驗(yàn)條件 第11部分:測(cè)量部分》
l DL/T614-2007 《多功能電能表》
以上標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)電能表在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及應(yīng)用中的性能、功能都規(guī)定了詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)。其中較為重要的性能指標(biāo)有：
1）、工頻耐壓。所有的電流線路和電壓線路以及參比電壓超過(guò)40V的輔助線路連接在一起為一點(diǎn)，另一點(diǎn)為地，試驗(yàn)電壓4kV加于該兩點(diǎn)間，不應(yīng)發(fā)生飛弧、火花放電或擊穿現(xiàn)象。
2）、快速瞬變脈沖群試驗(yàn)。在電壓和電流線路加4kV脈沖群，儀表準(zhǔn)確度應(yīng)在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限內(nèi)。
3）、靜電放電抗擾度試驗(yàn)。接觸放電8kV，空氣放電15kV，儀表不能有死機(jī)或精度不準(zhǔn)顯現(xiàn)。
4）、浪涌抗擾度試驗(yàn)。在電壓線路通以參比電壓，電流端開路，在電壓和電流線路上施加4kV，正負(fù)極各5次，儀表不應(yīng)損壞不能工作。
以上幾點(diǎn)指標(biāo)在各自的試驗(yàn)規(guī)格中都是最高級(jí)的殘酷級(jí)別。對(duì)于傳統(tǒng)的壁掛式電能表，體積較大，內(nèi)部有足夠的設(shè)計(jì)空間來(lái)應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的各種要求。而導(dǎo)軌式三相多功能電能表因?yàn)轶w積較小，模具決定了內(nèi)部可用空間不大。因此，導(dǎo)軌式三相電能表在設(shè)計(jì)上要難于傳統(tǒng)的壁掛式電能表。本文以DTSD1352三相多功能電能表為例講解一種基于SOC技術(shù)的方案。
2.硬件可靠性設(shè)計(jì)
2.1 芯片選擇
DTSD1352采用的主芯片是美信公司的71M6543，此芯片包含了一個(gè)8051的微處理器內(nèi)核和一個(gè)可實(shí)現(xiàn)計(jì)量功能的32位DSP數(shù)字引擎（CE），同時(shí)包括了電能表所必須的一些外設(shè)，如LCD驅(qū)動(dòng)、可補(bǔ)償?shù)?FONT face=Calibri>RTC、UART等。芯片具有良好的電磁兼容性，完全符合電能表的性能標(biāo)準(zhǔn)。由于此芯片的集成度極高，為產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)留下了寶貴的空間。
2.2 總體方案
總體方案框圖如圖1所示。總體設(shè)計(jì)中主要圍繞71M6543，外圍電路主要包括：開關(guān)電源、電壓電流采樣電路、按鍵、液晶顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、RS485通信模塊、脈沖輸出。原始信號(hào)經(jīng)電阻分壓及電流互感器信號(hào)衰減輸入到CE，CE順序處理從模擬輸入引腳采集的電壓信號(hào)，計(jì)算有功能量（Wh）和無(wú)功能量（VARh），以及四象限表計(jì)的A2h和V2h。然后MPU存取這些測(cè)量值，進(jìn)一步處理并通過(guò)MPU的外圍器件輸出，輸出方式如：LCD顯示、RS485通信等。除了高級(jí)測(cè)量功能外，實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）功能允許71M6543不外掛任何實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片就可以實(shí)現(xiàn)多費(fèi)率分時(shí)計(jì)量。同時(shí)配合外掛的鐵電，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)12個(gè)月的歷史數(shù)據(jù)的保存功能。
圖1
2.3 采樣電路
71M6543的管腳IADC0至IADC7用作電流傳感器輸入。這8路電流傳感器輸入可配置為8路單端輸入，或配對(duì)構(gòu)成4路差分輸入。為獲得最佳性能，DTSD1352在設(shè)計(jì)中將電流傳感器輸入配置為差分輸入（即：IADC0-IADC1、IADC2-IADC3、IADC4-IADC5、IADC6-IADC7）。71M6543提供了分流器接入和電流互感器接入兩種接入方式，處于電氣安全的考慮，DTSD1352方案中使用的是互感器方案。具體電路原理圖如圖2所示：
圖2 圖2中IN_IA+和IN_IA-與互感器次級(jí)輸出相連，IA+和IA-與IADC0和IADC1相連。電壓采樣電路使用單端輸入，通過(guò)電阻分壓檢測(cè)電網(wǎng)電壓。VADC8、VADC9、VADC10引腳為單端，返回至V3P3A引腳。
2.4 輸入復(fù)用器及采樣時(shí)序
由于71M6543內(nèi)部只有一個(gè)ADC，所以使用了一個(gè)輸入復(fù)用器來(lái)切換7種信號(hào)（IA、VA、IB、VB、IC、VC、IN）的采集。輸入復(fù)用器按照11個(gè)MUXn_SEL[3:0]控制字段確定的采用順序，將模擬輸入信號(hào)依次作用到ADC輸入。一個(gè)完整的采樣過(guò)程稱為復(fù)用幀。圖3為一個(gè)完整復(fù)用幀的時(shí)序圖：
圖3
3.軟件模塊化設(shè)計(jì)
DTSD1352采用模塊化軟件設(shè)計(jì)，模塊設(shè)計(jì)包括：計(jì)量運(yùn)算、校準(zhǔn)模塊、人機(jī)交互模塊、通信模塊、復(fù)費(fèi)率計(jì)算模塊、需量計(jì)算模塊、事件記錄模塊等。整體流程圖如圖4所示：
流程圖中的任務(wù)調(diào)度模塊其實(shí)是由多個(gè)中斷以及定時(shí)器按一定的優(yōu)先級(jí)組合而成的。其支配著整個(gè)程序，驅(qū)動(dòng)程序正常無(wú)誤的工作。對(duì)于周期性任務(wù)，如計(jì)量、復(fù)費(fèi)率運(yùn)算等，由定時(shí)器定時(shí)分配任務(wù)執(zhí)行順序。而對(duì)于一些非周期性任務(wù)，如通信、人機(jī)交互等，則由中斷觸發(fā)執(zhí)行。各模塊大多相互獨(dú)立，代碼維護(hù)簡(jiǎn)單。
圖44.DTSD1352測(cè)試數(shù)據(jù)
表1為DTSD1352在各溫度環(huán)境測(cè)試中的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表明DTSD1352有功電能精度等級(jí)可以滿足0.5S級(jí)要求，并滿足高低溫性能。
表1
|
測(cè)試環(huán)境 |
輸入信號(hào)(3P4L) |
cosφ |
電能誤差（%）及儀表編號(hào) |
|
1# |
2# |
|
25℃ |
220V |
6.0A |
1.0 |
-0.0533 |
-0.0798 |
|
220V |
5.0A |
1.0 |
-0.0261 |
-0.0702 |
|
0.5L |
0.0271 |
-0.071 |
|
0.8C |
-0.0642 |
-0.111 |
|
220V |
0.5A |
1.0 |
0.1427 |
-0.0416 |
|
60℃ |
220V |
6.0A |
1.0 |
-0.0434 |
-0.0171 |
|
220V |
5.0A |
1.0 |
-0.0195 |
0.0138 |
|
0.5L |
0.0445 |
0.0364 |
|
0.8C |
-0.0695 |
-0.0614 |
|
220V |
0.5A |
1.0 |
0.286 |
0.0425 |
|
-20℃ |
220V |
6.0A |
1.0 |
0.2912 |
0.2258 |
|
220V |
5.0A |
1.0 |
0.2097 |
0.2382 |
|
0.5L |
0.2899 |
0.1896 |
|
0.8C |
0.1957 |
0.2117 |
|
220V |
0.5A |
1.0 |
0.2062 |
0.2649 |
5.DTSD1352在實(shí)際中的應(yīng)用
圖5為DTSD1352在某寫字樓中的系統(tǒng)圖和接線圖。右圖為電氣系統(tǒng)圖，DTSD1352作為系統(tǒng)中的終端元件對(duì)包括照明、空調(diào)或插座等終端負(fù)載進(jìn)行電能計(jì)量及電氣運(yùn)行參數(shù)測(cè)量。左圖為單個(gè)DTSD1352的外部接線圖，電網(wǎng)中的A、B、C三相分別接入表的UA、UB、UC（端子號(hào)1、3、5）端子。電流經(jīng)互感器后接到相應(yīng)的電流接口。DTSD1352還有直接接入，低于80A的電流可直接進(jìn)表，接線方式與互感器接入相似，由于篇幅問(wèn)題，這里就不再贅述。
圖5
5.結(jié)束語(yǔ)
導(dǎo)軌式安裝多功能電能表可在分項(xiàng)計(jì)量項(xiàng)目中發(fā)揮極大作用，可有效減少施工難度及成本。DTSD1352性能指標(biāo)符合國(guó)標(biāo)GB/T17215和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T614-2007對(duì)電能表的各項(xiàng)技術(shù)要求，適用于政府機(jī)關(guān)和大型公建中對(duì)電能的分項(xiàng)計(jì)量，也可用于企事業(yè)單位作電能管理考核。
作者簡(jiǎn)介：
孫麗莉，女，本科，沈陽(yáng)安科瑞電力系統(tǒng)集成有限公司工程師，主要研究方向?yàn)橹悄茈娏ΡO(jiān)控與電能管理系統(tǒng)，技術(shù)交流：024-22598684 傳真：024-22598310 郵箱：
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